水電站上機架-定子機座系統(tǒng)模態(tài)及穩(wěn)定性研究

鄧亞新，張 帆，楊 斌，顧承慶，李冬冬

（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，杭州 311608）

0 引言

研究水力發(fā)電機組重要部件的自振特性是研究其振動問題的基礎(chǔ)，對其關(guān)鍵部件進(jìn)行模態(tài)分析不僅有助于機組振動故障診斷，而且可以防止共振現(xiàn)象的發(fā)生，對保障機組安全穩(wěn)定運行具有重大意義[1]。

某水電站有9臺單機容量95 MW、額定轉(zhuǎn)速150 r/min的混流式機組，為二導(dǎo)結(jié)構(gòu)懸式機組，上機架為承重機架。首臺機組于1960年開始發(fā)電，9臺機組服役期都超過50年，機組主要承重結(jié)構(gòu)部件上機架及定子機座沒有進(jìn)行詳細(xì)的受力計算分析，且通風(fēng)系統(tǒng)曾進(jìn)行改造，在定子機座環(huán)板上開過孔，為保證機組安全穩(wěn)定運行，有必要對上機架-定子機座系統(tǒng)振動特性進(jìn)行研究。

1 上機架-定子機座結(jié)構(gòu)特點

上機架主要由8條對稱支臂和中心體構(gòu)成，8條支臂通過螺栓聯(lián)接固定在定子機座上環(huán)板。圖1所示為上機架-定子機座3D模型，上機架最上端安裝推力軸承座板，共10塊，對稱支臂最外端距離為9 840 mm。定子機座高度2 930 mm，殼體最大直徑9 980 mm，主要由7層環(huán)板和40條豎直立筋構(gòu)成。

在這種結(jié)構(gòu)中，上機架-定子機座系統(tǒng)受力主要有結(jié)構(gòu)自身重力、電磁場的電磁扭矩、電磁場的偏心磁拉力等。上機架放置在定子機座上，定子機座須承受上機架重量、自重和電磁扭矩。上機架-定子機座系統(tǒng)作為機組重要的支撐部件，除具有足夠的強度和剛度外，還必須具有良好的動力特性，其模態(tài)特性將影響到機組安全性和穩(wěn)定性，特別是對機組轉(zhuǎn)動部分和軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著決定性作用[2]。

圖1 上機架-定子機座3D模型

2 上機架-定子機座模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析原理

有限元模態(tài)分析是將某個無限復(fù)雜的多個自由度振動結(jié)構(gòu)離散成多個多自由度結(jié)構(gòu)，并用有限個相互獨立的物理坐標(biāo)重新定義結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。各個振動都包括一種固定形態(tài)的自由振動，系統(tǒng)具有的固有振頻就是振動頻率，系統(tǒng)的固有振型就是振動形態(tài)[3-4]。

實際求解結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，常做如下假設(shè)：結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度不變，不考慮阻尼作用，結(jié)構(gòu)作自由振動。其控制方程：

式中：M，X和K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。

對于單個線性系統(tǒng)，自由振動可表示為如下的簡諧形式：

式中：Φi和ωi分別為第i階振型的特征向量和自振頻率；t為時間。

將式（2）代入（1）可得：

可以求得n個滿足式（3）的ω2值，n為自由度。那么自振頻率可表示為：

2.2 上機架-定子機座有模態(tài)分析

定子機座除鴿尾筋材料為Q345外，上機架-定子機座其余材料均為Q235，其彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.85 g/cm3，邊界條件為：上機架與定子機座上環(huán)的連接視為剛性連接，定子機座與水泥基礎(chǔ)之間的連接同樣視為剛性連接[2]。

采用ANSYS Workbench軟件計算分析，根據(jù)上機架-定子機座的結(jié)構(gòu)特點、有限元計算的精度和求解時間等，建模計算時忽略上機架-定子機座結(jié)構(gòu)中的小圓角、倒角、退刀槽、砂輪越程槽等；因安裝上螺栓后螺栓孔剛度加強，因此忽略所有的螺栓孔，也避免了劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。經(jīng)過簡化后，Workbench建模后的單元總數(shù)110 954，節(jié)點數(shù)228 496。

2.3 模態(tài)計算分析

應(yīng)用Workbench默認(rèn)的求解器，采用LANCZOS法對上機架-定子機座系統(tǒng)進(jìn)行前6階自振特性計算分析，提取模型固有頻率和固有振動形態(tài)見表1。由表1可知，前6階固有頻率值相鄰兩階十分接近，這是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱導(dǎo)致的。

表1 上機架-定子機座系統(tǒng)固有頻率與振型

圖2為上機架-定子機座1-6階振型，由圖中結(jié)果可以看出，上機架-定子機座系統(tǒng)振動形態(tài)主要有整體軸向平移、橢圓晃動、水平扭轉(zhuǎn)、機架水平扭轉(zhuǎn)、平移，實際仿真出的自振頻率為25 Hz， 33 Hz， 43 Hz和 68 Hz。

3 機組穩(wěn)定性分析研究

圖2 上機架-定子機座1-6階振型

表2 水輪機常見故障特征

水輪發(fā)電機系統(tǒng)振動故障可分為水力、機械和電氣3方面[1，6-9]，具有復(fù)雜性、耦聯(lián)性、故障和特征非一一對應(yīng)性等特征。其常見故障特征如表 2 所示[1，6-15]。

根據(jù)機組結(jié)構(gòu)參數(shù)，轉(zhuǎn)頻fn為2.5 Hz，推力軸承數(shù)量m為10，活動導(dǎo)葉Z0數(shù)量為24，計算可得機組故障特征頻率為：2.5 Hz，25 Hz，60 Hz，0.69 Hz。卡門渦列的特征頻率通常在100～500 Hz，且很少出現(xiàn)[6]。從以上計算可知，只有推力瓦不平整的特征頻率（25 Hz）與理論模態(tài)頻率接近。推力瓦不平整的主要原因是推力頭和軸頸間有間隙，軸和推力頭之間有相對運動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象非常少見[8]。

4 結(jié)論

上機架-定子機座系統(tǒng)理論模態(tài)頻率為25 Hz， 33 Hz， 43 Hz， 68 Hz， 只有 25 Hz與機組常見故障特征頻率接近，但此種故障極其少見。機組上機架-定子機座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會產(chǎn)生常見共振故障，可以保證機組安全穩(wěn)定運行。